Tính toán kết cấu tháp truyền hình bằng phương pháp phần tử hữu hạn (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ XÂY DỰNG

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

-----------------------------------

NGUYỄN VĂN TUẤN

TÍNH TOÁN KẾT CẤU THÁP TRUYỀN HÌNH
BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN

LUẬN VĂN THẠC SỸ K Ỹ THUẬT
XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG & CÔNG NGHIỆP

Hà Nội - 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ XÂY DỰNG

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

-----------------------------------

NGUYỄN VĂN TUẤN
KHÓA: 2014 – 2016

TÍNH TOÁN KẾT CẤU THÁP TRUYỀN HÌNH

BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN
Chuyên ngành:

Kỹ thuật Xây dựng Công trình DD&CN

Mã số:

60.58.02.08

LUẬN VĂN THẠC SỸ K Ỹ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN
DỤNG & CÔNG NGHIỆP

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. LÊ HỮU THANH

Hà Nội - 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ XÂY DỰNG

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

----------------------------------NGUYỄN VĂN TUẤN
KHÓA: 2014 – 2016

TÍNH TOÁN KẾT CẤU THÁP TRUYỀN HÌNH
BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN
Chuyên ngành:

Kỹ thuật Xây dựng Công trình DD&CN

Mã số:

60.58.02.08

LUẬN VĂN THẠC SỸ K Ỹ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN
DỤNG & CÔNG NGHIỆP
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS. LÊ HỮU THANH

XÁC NHẬN
CỦA CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN

Hà Nội 2016


LỜI CÁM ƠN
Trước hết tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc về sự giúp đỡ và
chỉ dẫn hữu ích thường xuyên của các thầy cô giáo Trường Đại học Kiến Trúc
Hà Nội, sự giúp đỡ và tạo điều kiện của Khoa Đào tạo sau đại học trong quá
trình học tập cũng như hoàn thành luận văn này.
Tôi xin trân thành cảm ơn Tiến sĩ Lê Hữu Thanh đã tâm huyết, tận tình
giúp đỡ, trực tiếp hướng dẫn và đưa ra nhiều ý kiến quý báu cũng như tạo
điều kiện thuận lợi, cung cấp tài liệu và động viên tôi trong suốt quá trình
thực hiện luận văn.
Tôi xin trân thành cảm ơn các thầy, cô trong Hội đồng chấm luận văn
đã tham gia đóng góp ý kiến quý báu cho bản luận văn.

Tôi xin trân thành cảm các bạn đồng nghiệp, gia đình, đã giúp đỡ, động
viên tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận văn.
Tôi xin trân trọng cảm ơn!
Hà Nội, ngày

tháng 5 năm 2016
Học viên

NGUYỄN VĂN TUẤN


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoanLuận văn thạc sỹ này là công trình nghiên cứu khoa
học độc lập của tôi. Các số liệu khoa học, kết quả nghiên cứu của Luận văn là
trung thực và có nguồn gốc rõ ràng
TÁC GIẢ LUẬN VĂN

NGUYỄN VĂN TUẤN


MỤC LỤC
Lời cảm ơn
Lời cam đoan
Mục lục
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
Danh mục các bảng, biểu
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1


Tính cấp thiết của đề tài ................................................................. 1



Mục đích nghiên cứu của đề tài ..................................................... 2



Phạm vi nghiên cứu ........................................................................ 3



Phƣơng pháp nghiên cứu ............................................................... 3



Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài....................................... 3



Cấu trúc luận văn của đề tài .......................................................... 3

NỘI DUNG ................................................................................................... 5
CHƢƠNG 1: KẾT CẤU THÁP TRUYỀN HÌNH ...................................... 5
1.1.

Tổng quan về kết cấu tháp truyền hình. ....................................... 5

1.1.1. Khái niệm ......................................................................................... 5
1.1.2 Phân loại kết cấu tháp ....................................................................... 6

1.1.3 Cấu tạo tháp thép .............................................................................. 9
1.2.

Tải trọng tác dụng ........................................................................ 10

1.2.1 Tĩnh tải ........................................................................................... 10
1.2.2 Hoạt tải ........................................................................................... 11
1.2.3 Tải trọng gió ................................................................................... 11
1.2.4 Tải trọng động đất và các loại tải trọng khác .................................. 11
1.3.

Tổ hợp tải trọng ............................................................................ 12

1.4.

Tính toán nội lực........................................................................... 12


1.4.1 Phương pháp giải tích ..................................................................... 13
1.4.2 Phương pháp số .............................................................................. 15
CHƢƠNG 2: TÍNH TOÁN KẾT CẤU THÁP TRUYỀN HÌNH BẰNG
PHƢƠNG PHÁP PTHH ............................................................................ 19
2.1.

Phƣơng pháp phần tử hữu hạn trong tính toán kết cấu ............. 19

2.1.1 Khái niệm và các bước thực hiện .................................................... 19
2.1.2 Các phương trình cơ bản................................................................. 22
2.2.

Tính toán kết cấu tháp bằng phƣơng pháp PTHH ..................... 27

2.2.1 Phần tử thanh chịu kéo (nén) .......................................................... 27
2.2.2 Phần tử thanh trong dàn phẳng. ...................................................... 30
2.2.3 Phần tử thanh dàn không gian:........................................................ 35
2.3.

Chƣơng trình tinh toán kết cấu tháp thép truyền hình .............. 37

2.3.1 Lập trình chương trình tính bằng ngôn ngữ Fortran ........................ 39
2.3.2 Thiết lập xử lý file dữ liệu đầu vào cho chương trình tính trên GID 50
2.3.3 Thiết lập xử lý giao diện Pre-process của chương trình bằng GID .. 58
2.3.4 Thiết lập xử lý giao diện Post-process của chương trình bằng GID 62
CHƢƠNG 3: VÍ DỤ TÍNH TOÁN ............................................................ 64
3.1.

Ví dụ tính toán 1 ........................................................................... 64

3.2.

Ví dụ tính toán 2 ........................................................................... 73

3.2.1 Số liệu tính toán.............................................................................. 73
3.2.2 Kết quả tính toán ............................................................................ 75
3.3.

Phân tích đánh giá kết quả tính toán........................................... 78

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................... 80
TÀI LIỆU THAM KHẢO

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Tên đầy đủ

STT

Chữ viết tắt

1

Fortran

2

GUI

3

GID

Phần mềm xử lý dao diện đồ họa

4

PTHH

Phần tử hữu hạn

Formula Translating System – Ngôn ngữ

lập trình sử dụng cho phương pháp số
Graphical User Interface – Giao diện người
dùng đồ họa


DANH MỤC CÁC BẢNG, BIỂU
Số liệu bảng,
biểu
Bảng 3.1.
Bảng 3.2.
Bảng 3.3.
Bảng 3.4.
Bảng 3.5.
Bảng 3.6.
Bảng 3.7.
Bảng 3.8.

Tên bảng, biểu
Số liệu tính toán
Bảng so sánh kết quả nội lực
Tọa độ nút của phần tử
Đặc trưng hình học mặt cắt ngang của thanh dàn
Thông số đầu vào vật liệu
Kết quả chuyển vị tại nút
Kết quả phản lực liên kết tại chân cột
So sánh kết quả lực dọc trong thanh của dàn

Trang
65
72

74
75
75
76
77
78


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Số liệu
hình

Tên hình

Trang

Hình 1.1.

Tháp dạng dây co [16]

7

Hình 1.2.

Tháp dạng tự đứng có đường biên gẫy khúc

8

Hình 1.3.

Tháp dạng tự đứng có đường biên dạng Parabol

8

Hình 1.4.

Cấu tạo chân tháp (loại 3 chân) và mặt cắt ngang tháp

9

Hình 1.5.

Cấu tạo đốt thân tháp

10

Hình 1.6.

Giải bài toán theo phương pháp PTHH

17

Hình 2.1.

Thanh chịu kéo nén đúng tâm

28

Hình 2.2.

Thanh chịu kéo (nén) trong dàn phẳng

31

Hình 2.3.

Chuyển trục tọa độ của phần tử thanh dàn phẳng

33

Hình 2.4.

Thanh dàn không gian

35

Hình 2.5.

Cấu trúc chương trình tính toán kết cấu

38

Hình 2.6.

Sơ đồ khối của chương trình tính toán

41

Hình 2.7.

Cấu trúc Mesh module

42

Hình 2.8.

Cấu trúc của Marcro module

43

Hình 2.9.

Sơ đồ khối của chương trình tính toán

44

Hình 2.10.

Thẻ nhập thông số vật liệu

60

Hình 2.11.

Thẻ gán điều kiện biên liên kết tại nút

61

Hình 2.12.

Thẻ gán tải trọng tại nút

62

Hình 3.1.

Ví dụ tính toán 1

65

Hình 3.2.

Mô hình kết cấu tạo ra trong GID

66

Hình 3.3.

Gán liên kết, ràng buộc liên kết (a) và tải trọng trong
thanh (b)

66

Hình 3.4.

Liên kết và ràng buộc liên kết của hệ kết cấu

67

Hình 3.5.

Tải trọng tác dụng được gán lên hệ kết cấu

67

Hình 3.6.

Số nút và phần tử trong hệ kết cấu sau chia lại phần tử

68


Số liệu
hình

Tên hình

Trang

Hình 3.7.

Thông báo số phần tử và nút sau khi mesh

69

Hình 3.8.

Biểu diễn kết quả chuyển vị bằng Contour

71

Hình 3.9.

Sơ đồ biến dạng của hệ kết cấu

72

Hình 3.10.

Kết cấu tháp truyền hình

73

Hình 3.11.

Mô hình tính toán kết cấu tháp truyền hình

76

Hình 3.12.

Điều kiện biên gán tại nút của kết cấu tháp

77


1
MỞ ĐẦU
 Tính cấp thiết của đề tài

Việt nam trong những năm gần đây, lĩnh vực viễn thông và truyền hình
đã và đang phát triển mạnh mẽ với những con số thống kê đầy ấn tượng[14].
Trên suốt chiều dài lãnh thổ Việt Nam, sóng truyền hình và viễn thông đã bao
phủ tới tận các làng xã, thôn xóm. Do vậy, việc tiếp cận thông tin của người
dân đã được cải thiện, đời sống vật chất và tinh thần do đó được nâng cao.
Nhân tố quan trọng giúp ngành truyền hình phát triển và đạt được thành
quả như đã nêu phải kể tới vai trò quan trọng và không thể thiếu của tháp
truyền sóng (tín hiệu) gọi chung là tháp truyền hình.Đây là kết cấu có chiều
cao lớn được lắp đặt các thiết bị thu phát sóng bên trên. Chiều cao và kết cấu
của tháp quyết định độ rộng phủ sóng của tín hiệu truyền hình khi hoạt động.
Tại Việt Nam, kết cấu tháp thường được chế tạo bằng vật liệu kim loại
(chủ yếu là thép) với dạng kết cấu điển hình là dàn không gian 3 chiều. Trong
đó, các thanh dàn được chế tạo từ các thép góc hoặc ống, liên kết với nhau tại
nút bằng mối nối hàn hoặc bu lông. Trong tính toán, các thanh được xem như
chịu tác dụng của lực kéo hoặc nén dọc theo trục thanh. Tháp có thể được
thiết kế với hình dáng không thay đổi hoặc thu nhỏ dần theo chiều cao của
tháp.
Theo cách liên kết với móng, kết cấu tháp được chia làm hai loại: (1)
Loại tự đứng, là tháp có tiết diện thay đổi theo chiều cao, được liên kết với
móng thông qua các chân tháp (3 hoặc 4 chân), tháp có thể tự đứng mà không
cần các dây neo nối với móng. Thông thường loại tháp này có chiều cao lớn,
dùng cho các tram thu phát tín hiệu có công suất lớn. (2) Tháp neo, dùng cho
các tram thu phát tín hiệu có công suất nhỏ, tháp có các dây neo bố trí dọc
theo chiều cao để cố định và chịu các tải trọng ngang.


2
Trong tính toán, kết cấu tháp thép đã được đưa vào giảng dạy từ rất sớm
trong các trường đại học ở nước ta[2],[3]. Trong các tài liệu này, kết cấu tháp
(trụ) thép cũng như tính toán các cấu cơ bản của tháp (trụ) đã được giới thiệu.

Tuy nhiên, hiện nay do sự phát triển của máy tính, các phương pháp tính cũng
như yêu cầu về công nghệ trong lĩnh vực thông tin truyền hình, kết cấu tháp
cần được tính toán tối ưu hơn, thiết kế cao hơn, thi công nhanh chóng hơn,
thẩm mỹ hơn và ngày càng cao hơn trong chiều cao thiết kế.
Mặt khác, trong những năm gần đây, do tác động sự biến đổi khí hậu mà
ảnh hưởng rõ rệt nhất của nó là sự không lường trước được sức ảnh hưởng và
vùng ảnh hưởng của các cơn bão đổ bộ vào Miền Bắc nước ta. Trong một vài
năm gần đây, một số tháp truyền hình được xây mới đã bị sụp đổ dưới tác
động của gió bão, ví dụ như: tháp truyền hình Nam Định cao 180 m bị đổ do
bão năm 2010, tháp truyền hình xã Quảng Long, H. Hải Hà, Quảng Ninh, cao
35 m đổ do bão năm 2014.Đặc biệt trong số một số công trình được thiết kế
và nhập cấu kiện từ nước ngoài.
Do vậy, việc nghiên cứu hoàn thiện các phương pháp tính cũng như đề
xuất quy trình các bước thực hiện trong tính toán nội lực tháp thép truyền
hình là thiết thực và cần thiết trong bài toán thiết kế tháp truyền hình hiện
nay. Trên cơ sở đó, đề tài “Tính toán tháp truyền hình bằng phương pháp
Phần tử hữu hạn (PTHH)” được lựa chọn làđề tài nghiên cứu của luận văn
này.
 Mục đích nghiên cứu của đề tài
Đề tài nghiên cứu được thực hiện với mục tiêu:
+ Thiết lập được bài toán tính toán nội lực kết cấu tháp thép truyền hình
bằng phương pháp phần tử hữu hạn.


3
+ Sử dụng kết hợp phần mềm GID và Fortran để thiết lập, xây dựng
chương trình tính nội lực của tháp truyền hình.
 Phạm vi nghiên cứu
Đề tài được thực hiện để nghiên cứu cho kết cấu tháp thép dạng tự đứng
có cấu tạo không gian với tiết diện mặt cắt ngang thay đổi thay đổi theo chiều

cao dùng cho ngành truyền hình.
 Phƣơng pháp nghiên cứu
Đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết trong đó xây dựng bài
toán tính toán nội lực của tháp trên cơ sở lý thuyết của phương pháp PTHH.
Bài toán này là cơ sở để xây dựng chương trình tính bằng phần mềm lập trình
sử dụng ngôn ngữ Fortran kết hợp phần mềm GID - được sử dụng để thiết lập
dao diện của chương trình.
Kết quả tính toán bằng chương trình thiết lập trong luận văn được so
sánh với kết quả tính toán bằng phần mềm đã phát triển thành công và ứng
dụng phổ biến hiện nay.
 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Đề tài được lựa chọn nhằm đáp ứng nhu cầu hiện nay trong phát triển,
tính toán và thiết kế kết cấu tháp thép dùng trong lĩnh vực truyền hình. Đồng
thời, kết quả của đề tài cũng được sử dụng cho mục đích công việc học tập
giảng dạy của tác giả sau khi hoàn thành khóa học.
 Cấu trúc luận văn của đề tài
Đề tài sử dụng lý thuyết tính toán kết cấu theo phương pháp PTHH để
xây dựng bài toán tính nội lực của kết cấu tháp thép truyền hình. Phần mềm
Fortran được sử dụng để viết chương trình tính sử dụng cho luận văn. Giao
diện của chương trình (xử lý số liệu đầu vào và kết quả của bài toán) được


4
thiết lập dựa trên nền tảng của phần mềm GID. Do vậy, cấu trúc của luận văn
được tác giả chia thành các chương chính sau:
Mở đầu: Trình bày lý do lựa chọn, sự cần thiết và phạm vi nghiên cứu
của đề tài cũng như ý nghĩa thực tiễn và khoa học của đề tài.
Nội dung:
Chƣơng 1: Kết cấu tháp truyền hình.
Chƣơng 2: Tính toán kết cấu tháp truyền hình bằng phương pháp phần

tử hữu hạn.
Chƣơng 3: Ví dụ tính toán.


THÔNG BÁO
Để xem được phần chính văn của tài liệu này, vui
lòng liên hệ với Trung Tâm Thông tin Thư viện
– Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội.
Địa chỉ: T.13 – Nhà H – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội
Đ/c: Km 10 – Nguyễn Trãi – Thanh Xuân Hà Nội.
Email:

TRUNG TÂM THÔNG TIN THƯ VIỆN


80
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1) Kết luận
Đề tài nghiên cứu tính toán nội lực tháp truyền hình bằng phương pháp
phần tử hữu hạn. Đề tài kết hợp lập trình giao diện GID và ngôn lập trình
Fortran để phát triển một chương trình tính toán nội lực cho tháp truyền hình
bằng thép. Trong đó GID được sử dụng để viết giao diện của bài toán, Fortran
phát triển chương trình tính. Với nội dung đã trình bày luận văn đã được thực
hiện với mục tiêu đạt được như sau:
1) Thiết lập được bài toán tính toán nội lực kết cấu tháp thép truyền
hình bằng phương pháp phần tử hữu hạn.
2) Sử dụng kết hợp phần mềm GID và Fortran để thiết lập, xây dựng
chương trình tính nội lực của tháp truyền hình.
3) Kết quả tính toán của phần mềm thiết lập từ luận văn có kết quả
chính xác với kết quả tính toán được từ các phần mềm thương mại

khác
Với kết quả đạt được, chương trình tính toán của luận văn có thể được
áp dụng trong tính toán nội lực tháp thép phục vụ công tác học tập và nghiên
cứu cũng như thiết kế của tác giả.
2) Kiến nghị
Trong thực tế tháp truyền hình chịu tác động đáng kể của các tác nhân
động như: gió động, ..Do vậy, chương trình cần được nghiên cứu phát triển
thêm cho bài toán động (tải trọng động, dao động tự do).
Do kết cấu được chế tạo bằng thép, do vậy ảnh hưởng của nhiệt độ tới
sự làm việc của hệ kết cấu là rất lớn. Do vậy, cần phải phát triển, kể thêm loại
tải trọng này vào chương trình tính toán mà luận văn đã phát triển.


TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1. Bộ môn kết cấu thép, khoa Xây dựng, ĐH Kiến trúc Hà nội: "Bài giảng
thép đặc biệt - Kết cấu thép trụ", 2014.
2. Nguyễn Quốc Bảo và Trần Nhất Dũng, Phương pháp phần tử hữu hạn - Lý
thuyết và lập trình, Tập 1, Hà Nội: Nhà XB Khoa học và Kỹ thuật, 2000.
3. Nguyễn Quốc Bảo và Trần Nhất Dũng, Phương pháp phần tử hữu hạn - Lý
thuyết và lập trình, Tập 2, Hà Nội: Nhà XB Khoa học và Kỹ thuật, 2000.
4. Phạm Văn Hội, Nguyễn QuangViên, Phạm Văn Tư và Lưu Văn Tường,
Kết cấu thép - Cấu kiện cơ bản, Hà Nội: Nhà XB Khoa học và Kỹ thuật,
2006.
5. Trịnh Tự Lực, Bài giảng "Phương pháp số", Khoa Xây dựng, ĐH Kiến trúc
Hà Nội.
6. Nguyễn Hoài Sơn, Lê Thanh Phong và Mai Đức Đài, Ứng dụng phương
pháp phần tử hữu hạn trong tính toán kết cấu, Hồ Chí Minh: Nhà XB Đại
học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh, 2003.
7. TCVN 2737: 1995 "Tải trọng và tác động - Tiêu chuẩn thiết kế"., Nhà xuất

bản Xây dựng.
8. Tiêu chuẩn Xây dựng Việt Nam TCVN 5575:2012 Kết cấu thép - Tiêu
chuẩn thiết kế, Hà Nội, 2012.
9. TCVN 9386:2012 “Thiết kế công trình chịu động đất, Hà Nội: Nhà Xuất
bản Xây dựng, 2012.
10. Chu Quốc Thắng, Phương pháp phần tử hữu hạn, Hà Nội: Nhà XB Khoa
học và Kỹ thuật, 1997.


11. Lều Thọ Trình, Cơ học kết cấu - Tập 2: Hệ siêu tĩnh, Hà Nội: Nhà XB
Khoa học kỹ thuật, 2006.
Tiếng Anh
12. F. Hartmann and C. Katz, Structural Analysis with Finite Element, Berlin:
Springer, 2007.
13. Mark. S. Gockenbach, Understanding and Implementing the Finite
Element Method, Philadelphia : Society for Industrial and Applied
Mathematics Philadelphia , 2006.
Website
14."Bộ Thông tin và Truyền Thông," [Online]. Available: .
15."Bộ Xây dựng - Trang thông tin KHCN," 03 2016. [Online]. Available:
/>16. Golddeed Development Ltd [Online]. Available: